某自卸車車廂結構分析及改進設計

周文海黃貴東

（1.柳州職業技術學院，廣西 柳州 1545006；2.柳州博實唯汽車科技有限公司，廣西 柳州 545005）

某自卸車車廂結構分析及改進設計

周文海1黃貴東2

（1.柳州職業技術學院，廣西 柳州 1545006；2.柳州博實唯汽車科技有限公司，廣西 柳州 545005）

為研究某船型自卸車車廂結構，對車廂滿載舉升典型工況進行靜力學分析，得到了車廂的變形和應力狀況。針對該類車廂結構易受疲勞和強度破壞的薄弱環節提出了相應的改進方案，并對改進的車廂結構進行靜力學分析。將改進前后的分析結果進行比較，結果顯示通過改進局部結構有效的提高了此車廂的強度和剛度，對此類自卸車車廂結構的設計具有實用的參考意義。

自卸車；車廂；改進設計

自卸車是應用最廣泛的商用車之一。車廂是自卸車用于裝載和傾卸貨物的構件，通常由前欄板，左、右側欄板，后欄板和底板組成。車廂承受著繁重的載荷，尤其是汽車在通過不平路面時，車廂容易接收地面激勵而產生沖擊載荷。通常自卸車的工作環境比較惡劣，這無疑對車廂結構的力學性能提出了更高的要求。當車廂設計或制造工藝存在缺陷時，就容易引起車廂局部斷裂或變形，從而影響使用同時局部結構的不同，會影響到自卸車車廂的受力及變形。因此，自卸車車廂應有足夠的強度和剛度和合理的結構。合理地改進自卸車車廂的結構，是降低應力、減小變形的重要手段。[1]

本文針對某款重型自卸車車型的車廂進行結構靜力學分析，找出車廂相對薄弱的部分并提出相應的改進措施。通過合理優化原有車廂，使其具備足夠的強度和剛度，有效的提高該自卸車車廂工作的可靠性。與以往僅僅依靠經驗設計車廂結構的方式相比，將CAE融入到自卸車車廂的設計當中，能有效地縮短研發周期，減少實驗次數。從而達到減少開支，提高產品的競爭力目的。

1 車廂模型工況描述

圖1為典型的底板橫剖面呈矩形的后傾式車廂結構。圖1中所示1為車廂總成，2為后欄板，3和4為鉸鏈座，5為車廂鉸支座，6為側欄板，7為防護擋板，8為底板。為避免裝載時物料下落碰壞駕駛室頂孟，通常車廂前欄板加做向上前方延伸的防護擋板。車廂底板固定在車廂底架之上。車廂的側欄板、前后欄板外側面通常布置有加強筋。

圖1　車廂結構意圖

車廂是自卸車的載貨構件，因其存在相當數量的橫縱梁及加強筋，形狀顯復雜。而汽車行駛狀況千變萬化，道路狀況、載貨種類與重量、氣候條件、車輛運動狀態等等都是不定的。因此，要確切知道車廂各點的受力情況很困難，簡化其力學模型就成為車廂有限元分析必要進行的工作。[2]

圖2　兩種工況簡化力學模型

圖3　車廂三維模型

2 車廂靜力學分析及結果討論

車廂在滿載時，貨物對底部的壓力可簡化為均布載荷。滿載靜態工況下，其底板縱梁與車架接觸，可簡化為車架對車廂的作用力是與貨物對車廂底板壓力等大反向的均布載荷；滿載舉升工況下，車廂在離開車架的時刻，車架對車廂底部除鉸接點之外不再有作用力，與貨物對底板的平衡力來自于舉升機構的舉升力。根據經驗，可以將自卸車車廂受力模型簡化如圖2-b所示。[3]

由于舉升工況車廂所受力遠大于靜態工況，故只需分析滿載舉升工況時車廂受力情況即可。因為在卸貨的過程，隨著貨物的傾卸，載荷會隨之減少，故只要此時強度滿足強度要求，舉升過程其他時刻也會滿足強度要求。載荷的施加情況如表1所示。

表1　車廂載荷情況

本文選取殼單元離散，包括4節點四邊形單元和3節點三角形單元，焊接、液壓缸座及后欄板鎖扣用 1D單元 rbe2連接。本次的模型中以10mm邊長的三角和四邊形網格劃分了總共92萬個網格單元，如圖4所示。

圖4　網格劃分模型

將前處理好的模型提交有限元分析軟件計算，得到等效應力如圖5所示、位移云圖如圖6所示。分析結果表明車廂底板中部橫縱梁連接區域最大應力為540.6Mpa；底板中部最大位移為17.63mm；側欄板中部最大位移為0.26mm。底板中部第三到第九根橫梁與中縱梁連接處應力過大，第四到第八根縱梁之間位移量過大。雖然此應力值在材料屈服應力范圍之內，舉升時位移也在材料剛度允許范圍。但考慮到超載、動荷、沖擊等情況，此計算結果下底板的強度及剛度是不夠的。這也是此車廂容易出現變形、撕裂的主要原因。

圖5　改進前滿載舉升應力云圖

圖6　改進前滿載舉升位移云圖

3 車廂改進設計及對比分析

針對以上對車廂靜力學分析結果，通常可采用對底板加厚1mm以及在底板橫梁縱梁間加三角加強筋兩種改進方案。

兩種方案達到車廂底部的應力及位移效果基本一致，但考慮到加厚底板會大大增加自卸車自重，底板厚度增加1mm則自卸車自重將增加 126KG，不符合輕量化設計主流；在底板橫梁縱梁間焊接加強筋方案共需增加36塊三角加強筋，總共約重33KG，相比之下故而采取此改進方案更為合理。

對車廂結構進行改進有如下四點要求：（1）在原基礎上改進，不能大范圍破壞原結構。（2）改進操作簡單、工藝性好。（3）要求改進后能有效降低關鍵區域應力，減小關鍵區域位移。（4）改進結構后不能影響外觀。改進后的模型如圖7。

圖7　改進結構示意圖

改進方案等效應力如圖8所示，位移云圖如圖9所示。分析結果表明車廂底板中部橫縱梁連接區域最大應力為320.2Mpa；底板中部最大位移為 11.62mm；側欄板中部最大位移為11.04mm。對車廂強度及剛度分析結果進行對比如表2所示。

圖8　改進后滿載舉升應力云圖

圖9　改進后滿載舉升位移云圖

表2　改進前后分析比較

從表 2可看出，對車廂進行局部改進后，底板橫縱梁連接處最大應力可有效降低到材料屈服強度以下；底板最大位移有效減小，車廂剛度更好。同時應當看出，改進結構后，滿載舉升工況下側欄板位移有所增大，但在可以接受范圍內。

4 結論

（1）分析了自卸車車廂的結構形式及車廂各種工況的受力情況，針對滿載舉升工況進行有限元靜力學分析，得到了其應力分布及位移云圖。

（2）對車廂結構易受疲勞和強度破壞的薄弱環節進行結構改進，并對改進的車廂滿載舉升工況進行有限元分析。結果表明改進結構后車廂底部應力值降低，車廂底部的位移減小，剛度增強，可更有效抵車廂抗變形。

（3）利用 CAE技術指導自卸車車廂的設計，通過局部改進可以達到整體性能提升的目的，對延長此自卸車使用壽命，增強企業的市場競爭力具有很大幫助。

[1] 石金鵬,楊祖一.SGA3723礦用汽車貨箱輕量化設計的實現[J].金屬礦山,2009,(8):111-113.

[2] 伍浩明.一種自卸車貨箱輕量化方案的可行性探討[J].專用汽車,2008,(3):25.

[3] 朱曉晶,籍慶輝,朱平.基于多種工況下的自卸車車廂輕量化設計[J].機械設計,2014,(5):47-52.

A dump truck car structure analysis and design improvements

To study the structure of one ship type dump truck carriage, stress and displacement distribution analysis is conducted for static full load lifting.It is provided the basis for the improvement and optimum of the structure,and some corresponding improvement plans were proposed. Compared the analysis results before and after improvement, the results show that the strength and stiffness of the carriage is improved after improving the local structure, the research and practice of this paper possess certain practical significance and referential value in the design of such a dump truck carriage structure.

Dumper; carriage; improved design

S-3

A

1008-1151(2015)07-0069-03

2015-06-13

柳州市科學研究與技術開發計劃“整車與零部件輕量化共性應用技術平臺建設”（2012E010102）；廣西科學研究與技術開發計劃課題“整車及零部件可靠性與輕量化共性應用技術引進”（2012DA37002）。

周文海（1958－），男，柳州職業技術學院汽車系主任，教授。